Plasma térmico para ablação de materiais utilizados como escudo de proteção térmica em sistemas aeroespaciais. - Edson de Aquino Barros (2008)
Neste trabalho são apresentados estudos da degradação de materiais utilizados em sistemas de proteção térmica expostos a jatos de plasmas com fluxos de calor comparáveis aos da reentrada atmosférica de artefatos espaciais. Amostras foram ensaiadas em ambiente de plasma reativo de ar gerado por uma tocha de arco não transferido em corrente contínua, com entalpias entre 6,2MJ/kg e 9,4MJ/kg, correspondentes a fluxos térmicos na faixa de 0,5MW/m2 a 2,2MW/m2. A ênfase é dada aos materiais compósitos ablativos de quartzo-fenólico, formados com matriz de resina fenólica reforçados com fibras de quartzo, material desenvolvido e fabricado no Brasil, de especial interesse do Instituto de Aeronáutica e Espaço. Neste caso, no intuito de resolver problemas de delaminação e moldagem em camadas espessas de proteção térmica com geometrias complexas, foram fabricadas amostras com diferentes concentrações de resina fenólica (20, 32 e 42)%, utilizando-se configurações de tecido de quartzo inteiriço e picado. Para comparação, foram ensaiados outros materiais com propriedades já bem estabelecidas como o teflon e a cortiça, além do compósito carbono-fenólico (reforçado com fibras de carbono), sob as mesmas condições ablativas. Foram determinadas as taxas de perda de massa das amostras, o calor de ablação, as temperaturas radiométricas superficiais e termométricas internas, em função do tempo de exposição e do fluxo térmico. Adicionalmente, foi avaliada a perda de massa das amostras por análises termogravimétricas, o coeficiente de expansão térmica e a difusividade térmica das amostras. Os aspectos microestruturais foram investigados por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A composição superficial das amostras foi avaliada por difração de raios x (DRX) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios x (XPS), antes e após o tratamento por plasma. Os resultados mostram que os compósitos quartzo-fenólico são os que apresentam maior calor de ablação, mais que o dobro do valor obtido para os demais materiais testados. Os compósitos carbono-fenólico apresentam quase o dobro da perda de massa comparado aos reforçados com fibra de quartzo, devido a maior volatilização da resina provocada pela maior difusividade de calor, em razão da maior condutividade térmica das fibras de carbono (11W/mK), comparada com as fibras de quartzo (1,5W/mK). A taxa de perda de massa do teflon é quase o triplo dos demais materiais e não há formação de camada superficial carbonizada, portanto as temperaturas radiométricas são menores (~900C) e mais estáveis. Neste material, para um aumento de 1MW/m2 no fluxo de calor incidente, constata-se elevação de temperatura de apenas 75C. A cortiça apresenta as menores condutividade térmica (~0,14W/mK) e massa específica (~0,1g/cm3), com taxa de perda de massa semelhante a do carbono-fenólico, porém, entre os materiais testados é o que sofre o maior taxa de erosão (~4mm/min) para um fluxo térmico de 0,8MW/m2. As análises por MEV do compósito quartzo-fenólico mostram que o uso de tecido de quartzo com malha picada, com concentrações moderadas de resina evita problemas de delaminação e excesso de rachaduras nas regiões de carbonização e adjacentes. Para fluxos térmicos mais elevados (~2MW/m2), as análises microestruturais mostram claramente a transformação de fibras maciças de quartzo em fibras ocas, na forma de tubos. As análises DRX e XPS indicam a formação de estrutura carbonosa amorfa na superfície e que os tubos são formados, principalmente, pela intensificação da oxidação das paredes das fibras, que são expostos a um jato de plasma de ar, atingindo temperaturas em torno do ponto de fusão do quartzo (~1600C). As micrografias do compósito quartzo-fenólico revelam ainda que a matriz sofre um processo de erosão mais intenso que a fibra e depende da direção do fluxo de plasma em relação ao eixo da fibra. Por meio da análise geral dos resultados focada na otimização do banco de ensaios para ablação materiais utilizados em sistemas de proteção térmica por plasma térmico, mostra-se a viabilidade de abrir um campo de pesquisas para desenvolvimento de materiais termoestruturais, até então inédito no Brasil e dispor de uma ferramenta indispensável para qualificar e certificar materiais de interesse da indústria aeroespacial.